我们生活的星球上，有一股强大的力量：演化。自从约37亿年前出现第一颗生命的种子，地球上每个裂缝几乎都被适应环境的生命体填满：地衣在荒山上生长，古细菌在热泉中蓬勃发展，长鳞片的爬行类能应对荒漠，水母在幽暗的深海发光。
海底热泉附近的生命 | NOAA
学校里，我们在生物课学到这些生命体，但现在请换上化学家的视角。正因演化解决了大量化学难题，地球上才有生命存在。所有的生命体都能从它所在环境生态位中提取物质与能量，并用它们构建自身独特的化学组成。鱼可以在极地海洋中游泳，这要感谢血液里的抗冻蛋白；贻贝能附着于岩石，因为它们制造出了一种水下分子胶水。这些只是数不清的例子中的几个。
生命化学的美妙之处在于，它编码于我们的基因之中。因此这些化学信息可以传承，可以发展。基因的随机小变动将改变这些化学。这有时会导致生命体更虚弱，有时则会更强壮。于是，新的化学逐渐发展，地球上的生命变得越来越复杂。
这一演化过程延续至今，直到它创造出了三个人类——这三个生命体已经复杂到足以反过来掌控演化本身。2018年诺贝尔化学奖颁给弗兰西斯·阿诺德、乔治·史密斯和格里高利·温特，因为他们通过定向演化彻底革新了化学以及新药开发。让我们从杰出的酶工程师——弗兰西斯·阿诺德开始介绍。
早在1979年，作为刚毕业的机械和航天工程师，弗兰西斯·H·阿诺德就有着明确的梦想：通过新技术的发展造福人类。美国在当时有一项决策——到2000年时全国20%的能源是可再生的，在此期间她便着手研究太阳能。然而1981年的总统选举后，这一行业的未来前景发生巨变，因此她将目光转向DNA技术。正如她自述的那样：“显然，这种重写生命代码的能力，将赋予我们制造日常生活所需材料和化学制品的新技术。”
她的想法是使用生命的化学工具——酶，来生产药物、塑料和其他化学制品。制作这些东西通常需要强溶剂、重金属和腐蚀性酸等传统化学手段。酶催化生命体内的化学反应，如果她学会设计新的酶，就能彻底改变化学。
酶——生命最有力的化学工具
弗兰西斯·H·阿诺德 | Caltech
最初，正如上世纪80年代的其他研究者一样，阿诺德试图通过推理研究法，来重构酶并赋予其新特性。但酶是极其复杂的分子。它们由20种不同的氨基酸构成，这些氨基酸能排列成无数种组合。一个酶可以包含几千个氨基酸。这些氨基酸连接成长链，并折叠成特殊的3维结构。在这些结构的内部，会形成催化特殊化学反应所需的环境。
即使借助当代的知识和计算机的力量，使用逻辑来改造这种精细的结构，从而赋予酶新的特性，也是很困难的。在上世纪90年代初期，在大自然的优越性面前挫败后，弗兰西斯·H·阿诺德决定放弃这种方法。用她的话来说，这是一种“有点傲慢的方法”。她转而从大自然自己优化化学的方法中获得启发：演化。
阿诺德花了好几年的时间，设法改造一种名叫枯草杆菌蛋白酶（subtilisin）的酶。这样，她就不需要在水基溶液中催化化学反应，而是可以让反应在有机溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中发生。她在这种酶的遗传密码中引发随机突变，然后把这些突变基因转入了细菌，生产出了数千种不同的枯草杆菌蛋白酶变异体。
人类思维的局限
阿诺德开始利用演化的力量
枯草杆菌蛋白酶结构 | Wikimedia Commons
之后的难题是，要找到这些变异体中哪种在有机溶剂中表现最好。在演化中，人们谈论的是适者生存；在定向演化中，这个阶段叫做选择。弗兰西斯·阿诺德利用了枯草杆菌蛋白酶能分解牛奶里酪蛋白的事实，在35%DMF的溶液中选择出了分解酪蛋白最高效的枯草杆菌蛋白酶变异体。随后，她又在这种枯草杆菌蛋白酶中引入了新一轮的随机突变，得到了在DMF中表现更佳的变异体。
在第三代枯草杆菌蛋白酶中，她发现了一种在DMF中工作效率比初始酶高256倍的变异体。这种变异体拥有10个不同突变的组合，任何人都无法事先计算出其优势。
有了这些发现，弗兰西斯·阿诺德证明，让机会和定向选择来控制新酶研发，而非单纯依靠人类理性推导，这样做是有效的。这是迈向我们今日所见的变革的第一步，也是最具决定性的一步。
酶的定向演化原理
下一个重要步骤由荷兰研究者、企业家威廉·施特默尔（Willem P. C. Stemmer）做出，他已于2013年去世。施特默尔向酶的定向演化引入了另一个维度：试管中的交配。
自然演化的一个先决条件是通过交配或授粉来混合来自不同个体的基因。有利的生物属性可以因此结合起来，产生出更强壮的生物体。同时，功能没那么好的突变可以在一代又一代的进程中消失。
交配——为了更稳定的演化
施特默尔采用的是自然交配的实验室版本：DNA重组。1994年，他证明了有可能将一个基因的不同版本切割成小片段，然后在DNA技术的帮助下，将这些片段拼凑成一个完整的基因，综合了来自不同版本的碎片。
施特默尔通过几轮DNA重组而改变了一种酶，使它比原来的酶更加好用。这表明，让基因相互“交配”可以导致酶的更有效演化。
DNA重组原理 | Science
新酶用于生产可再生生物燃料
自20世纪90年代初至今，DNA技术的工具得到了进一步完善，而定向演化中使用的方法已经成倍增长。阿诺德一直站在这些发展的前沿，现在她实验室中生产的酶甚至可以催化自然界中不存在的化学反应，造出全新的材料。她制作的酶也成为制造各种物质的重要工具，比如药品。她的酶使得化学反应加快，副产品减少，在某些情况下，甚至有可能去掉传统化学中所需的重金属，从而大大减小了对环境影响。
如今她的工作又回到了原点：开发可再生能源。她的研究小组已经开发出了可以将单糖转化为异丁醇的酶，异丁醇是一种富含能量的物质，可用于生产生物燃料和绿色塑料。她的长远目标之一是为交通运输生产更环保的燃料。由阿诺德的蛋白质生产的替代燃料可以用于汽车和飞机。通过这种方式，她的酶正在让世界变得更加绿色。
现在我们说说2018年化学诺奖的另一半，在这里，定向演化带来的药品能够中和毒素、对抗自身免疫疾病，在某些情况下，甚至还能治疗转移癌。一种微小的感染细菌的病毒起到了关键作用——这个方法被称为噬菌体呈递。
科学的发展道路往往不可预料。在20世纪80年代前半叶，乔治·史密斯开始用噬菌体（即能够感染细菌的病毒）时，主要是希望它们能用来克隆基因。那时的DNA技术尚未成熟，人类的基因组像是一片未知的大陆。研究人员知道它含有产生人体蛋白质所需的基因，但是找到哪个基因产生了哪个蛋白质，比大海捞针还难。
然而，发现它对科学家有极大好处。使用当时最新的基因工具，这个基因可以插入细菌中，如果运气好的话，可以大量生产用于研究的蛋白质。这个过程叫基因克隆。史密斯的想法就是，寻找对应基因的科学家可以用一种十分巧妙的办法利用噬菌体。
史密斯使用噬菌体史密斯接到诺奖获奖的电话 | Marjorie R. Sable
噬菌体——蛋白质与其未知的基因之间的联系
噬菌体的结构很简单，外面是一层保护蛋白，里面是一小段遗传物质。繁殖时，它们将遗传物质注入到细菌中，劫持宿主的代谢。然后细菌会产生该噬菌体的遗传物质的复制品以及形成外壳的蛋白质，从而形成新的噬菌体。
史密斯认为，研究人员可以利用噬菌体的简单结构来找到那个制造已知蛋白质的未知基因。那时已有大分子文库，其中含有大量的未知基因的片段。他认为，这些未知的基因片段可以与制造某种蛋白质的基因一起放进噬菌体外壳中。当新的噬菌体产生时，未知基因制造的蛋白质会位于噬菌体的表面，成为蛋白质外壳的一部分。
攻击大肠杆菌表面的噬菌体 | Eye of Science / Science Source
这将会得到一份噬菌体混合液，这些噬菌体的表面携带有大量不同的蛋白质。乔治·史密斯设想，在接下来的步骤中，研究者们将可以使用抗体，从这一锅“噬菌体汤”中捞出携带有不同的已知蛋白的噬菌体。抗体是一种蛋白质，它们能像目标导弹一样发挥作用：从成千上万的蛋白中，非常精准地识别并结合单个蛋白质。假如研究者用某个已知蛋白的抗体从噬菌体汤里捞到了东西，他们也就知道了当初放进去的那个未知基因，合成的就是这个蛋白。
这是一个优雅的想法，并在1985年被乔治·史密斯付诸实现。他制造出一个噬菌体，噬菌体的表面携带有一个蛋白质的片段（也即多肽）。通过抗体，他成功地从含有许多噬菌体的“杂烩汤”中得到他构建的那个噬菌体。
抗体可以“捞出”正确的蛋白
通过这个实验，乔治·史密斯为这个被称为“噬菌体呈递”的技术奠定了基础。这个方法简单却不容小觑。它的优势在于噬菌体能连接起蛋白质和对应的基因。然而，这个技术的重大突破却不在基因克隆的范畴；相反地，在1990年左右，几个研究团队开始使用噬菌体呈现技术创造出新的生物分子。其中一个就是格里高利·温特。由于他的研究，噬菌体呈现技术正在造福人类。为什么？我们需要先更仔细地理解抗体。
噬菌体呈递
人类淋巴系统的细胞可以生成几十万种不同的抗体。它们用一套很成熟的技术来检测所有细胞，保证抗体不会结合到人体本来就有的分子上。同时，如此大量的抗体种类保证了我们感染的所有细菌和病毒都有对应的抗体。当抗体结合到分子上时，就会向攻击性免疫细胞发送一个信号，让它们消灭入侵者。
因为抗体有很高的选择性，能够在上万个分子里精准结合到特定的一个，因此研究者们一直希望可以设计出一种抗体，能够和药物一样阻碍疾病的特定机制。最早，人们为了获取这种药物类抗体，向大鼠注射了不同种类的药物目标物质，例如癌细胞蛋白质。但是，到了1980年，人们意识到这种方法有其局限性。有些物质对大鼠有毒性，另外一些无法产生任何抗体。此外，如此产生的抗体如果注入人体内，会被人的免疫系统当做异物而攻击。
这会导致大鼠的抗体被摧毁，并有对病人产生副作用的风险。
格里高利·温特正是因此才开始研究史密斯的噬菌体呈递技术的潜力。他希望避免使用大鼠，直接以人类的抗体为基础制药：这样它才可以和人类的免疫系统相容。
抗体可以阻止疾病的进程
画：温特和他的研究 | David Cobley
抗体是Y形的分子；它的两个胳膊负责和外来物质结合。格里高利·温特将抗体这部分的遗传信息，加入到噬菌体外壳蛋白的基因里。1990年，他证明这一操作能让抗体的结合位点处于噬菌体的表面。他用的抗体经过设计，会和一个名叫phOx的小分子结合；温特将phOx当成“分子鱼钩”，成功地把拥有抗体的噬菌体从四百万噬菌体的池子里钓了出来。
之后，格里高利·温特的研究表明，可以将噬菌体呈递技术用于抗体的定向演化。他建立了一个噬菌体库，噬菌体的表面附有几十亿抗体。从这个库中，他钓出了附于各种目标蛋白的抗体。接着他随机改变这第一代抗体并创建一个新的库，在此之中他找到了更强力附着于目标蛋白的抗体。1994年，他用此方法开发了附在高度特异的癌细胞上的抗体。
温特及同事在噬菌体呈递抗体技术的基础上建立了一家公司。20世纪90年代，他们研发出了一种完全基于人类抗体的药物：阿达木单抗（adalimumab，商品名修美乐），这种抗体中和了一种在多种自体免疫性疾病中导致炎症的蛋白质 TNF-alpha。2002年，这一药物被批准用于类风湿性关节炎的治疗，现也用于治疗多种不同类型的银屑病和炎症性肠病。
阿达木单抗的成功，刺激了制药业的重大发展，噬菌体呈递被用于生产癌症抗体。其中一种能够释放出体内的杀伤性细胞，使其攻击肿瘤细胞。肿瘤的成长速度得以减缓，并且在某些案例中，甚至转移癌症的患者也得以治愈，这在癌症治疗中是历史性的突破。其他抗体药物被批准用于中和炭疽导致的细菌性中毒，以及缓和自体免疫性疾病如狼疮；许多其他的抗体，包括对抗阿尔兹海默症的药物，目前正在临床试验中。
借助噬菌体呈递，实现抗体的定向演化
2018年诺贝尔化学奖获奖者研发的方法，现在已经得到全球范围的发展，以推进绿色化学产业、生产新物质、制造可持续生物燃料、缓和疾病，以及拯救生命。酶的定向演化和噬菌体呈递抗体，使阿诺德、史密斯和温特为人类带来了巨大福祉，为化学的一场革命奠定了基础。